콘크리트 구조물의 사용 년수 증가에 따른 열화 (aging) 방지 및 내구성능 향상을 목적으로 개발된 유무 기합성 표면 침투 보강제의 성능 및 적용성을 실험적 방법으로 입증하였다. 본 연구에서는 무기 재료인 TEOS (tetra-ethoxyorthosilicate)와 유기재료인 acrylate monomer를 용액중축합 방법으로 합성함으로써 졸-겔 반응 (sol-gel process)에 의한 실리케이트의 내구성능 향상 효과와 함께 유기모노머의 부드럽고 유연한 충격 완화층 형성을 통한 콘크리트의 성능 개선 효과와 isobutyl-orthosilicate 등의 성능 개선 물질을 추가함으로써 콘크리트 침투 후의 열화 억제 성능을 향상시켰다. 개발된 유무 기합성 표면 침투 보강제는 침투 후 콘크리트 내부 공극을 물리 화학적으로 안정된 화합물로 충진 시킴으로써 구체 강화에 따른 압축강도 증가 효과는 물론, 염해 및 탄산화, 동결융해 및 복합열화 등의 사용 환경적 열화 요인에 대한 내구성 향상 효과가 높아 콘크리트 구조물의 효율적인 수명 관리 기법으로 활용이 가능할 것으로 판단된다.
콘크리트 구조물의 사용 년수 증가에 따른 열화 (aging) 방지 및 내구성능 향상을 목적으로 개발된 유무 기합성 표면 침투 보강제의 성능 및 적용성을 실험적 방법으로 입증하였다. 본 연구에서는 무기 재료인 TEOS (tetra-ethoxyorthosilicate)와 유기재료인 acrylate monomer를 용액중축합 방법으로 합성함으로써 졸-겔 반응 (sol-gel process)에 의한 실리케이트의 내구성능 향상 효과와 함께 유기모노머의 부드럽고 유연한 충격 완화층 형성을 통한 콘크리트의 성능 개선 효과와 isobutyl-orthosilicate 등의 성능 개선 물질을 추가함으로써 콘크리트 침투 후의 열화 억제 성능을 향상시켰다. 개발된 유무 기합성 표면 침투 보강제는 침투 후 콘크리트 내부 공극을 물리 화학적으로 안정된 화합물로 충진 시킴으로써 구체 강화에 따른 압축강도 증가 효과는 물론, 염해 및 탄산화, 동결융해 및 복합열화 등의 사용 환경적 열화 요인에 대한 내구성 향상 효과가 높아 콘크리트 구조물의 효율적인 수명 관리 기법으로 활용이 가능할 것으로 판단된다.
The property and applicability of the organic-inorganic synthesized penetrating and reinforcing agent, which is developed in order to improve durability of concrete structures and prevent deterioration that may occur as service years increased, are researched with experimental works. TEOS (tetra-eth...
The property and applicability of the organic-inorganic synthesized penetrating and reinforcing agent, which is developed in order to improve durability of concrete structures and prevent deterioration that may occur as service years increased, are researched with experimental works. TEOS (tetra-ethoxyorthosilicate) and acrylate monomer are synthesized by the solution polycondensation method in order to formulate silicate with sol-gel process and improve durability of concrete. Additional substances such as isobutyl-orthosilicate is supplemented in order to improve the performance of the agent. After the developed organic-inorganic penetrating reinforcing agent penetrates, a flexible impact alleviating layer is formed with organic monomers as well as the agent strengthens concrete by filling up the internal pore of concrete with stable compounds after penetration. Penetrating and reinforcing agent can be applied as an effective life management method because it makes concrete more durable against the aging factors, such as chloride ion, carbonation, freezing-thawing, and compound aging.
The property and applicability of the organic-inorganic synthesized penetrating and reinforcing agent, which is developed in order to improve durability of concrete structures and prevent deterioration that may occur as service years increased, are researched with experimental works. TEOS (tetra-ethoxyorthosilicate) and acrylate monomer are synthesized by the solution polycondensation method in order to formulate silicate with sol-gel process and improve durability of concrete. Additional substances such as isobutyl-orthosilicate is supplemented in order to improve the performance of the agent. After the developed organic-inorganic penetrating reinforcing agent penetrates, a flexible impact alleviating layer is formed with organic monomers as well as the agent strengthens concrete by filling up the internal pore of concrete with stable compounds after penetration. Penetrating and reinforcing agent can be applied as an effective life management method because it makes concrete more durable against the aging factors, such as chloride ion, carbonation, freezing-thawing, and compound aging.
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문제 정의
1) 본 논문의 표면 침투 보강제는 반도체 분야에서 도막 재료로 활용되고 있는 실리케이트계열의 무기물질인 TEOS와 OH관능기를 가지는 유기물질과의 용액 중축합반응에 의한 합성 재료에 침투력 개선 및 열화 물질 억제 성능을 가진 부가 재료를 도입하여 개발하였다. 2) 본 표면 침투 보강제는 콘크리트의 모세관공극보다 작은 나노 크기의 분자로 구성되어 외부하중이 아닌 표면 도포만으로도 모세관 흡입력에 의해 침투가 가능하며, w/c 35~60%의 공시체에 대한 평가 결과 2Z/m2 도포만으로도 30 mm 이상의 침투 성능을 나타내어 기존의 무기계 침투제가 갖고 있는 단점인 초기 급격한 반응에 의한 침투 깊이의 제한성을 개선하였다,
따라서, 본 논문에서는 기존 재료의 단점을 보완하기 위해 에톡시 (ethoxy)기를 함유하는 실리케이트계열의 무기 재료와 OIF 관능기를 갖는 유기 재료와의 합성으로 이루어진 표면 침투 보강제의 작용 메커니즘과 침투 성능, 구체 강화 효과 및 열화 억제 성능에 대하여 논하고자 한다.
본 논문은 콘크리트 구조물의 내구성능 저하 방지 및 손상 회복을 목적으로 개발된 유무기 합성 표면 침투 보강제의 성능 특성을 실험적으로 입증한 것으로 주요 결과는 다음과 같다.
표면 침투 보강제의 콘크리트 주요 열화 요인에 대한 억제 및 회복 성능 평가를 위하여. Table 3과 같은 배합 조건의 공시체를 대상으로 염해, 탄산화, 동결융해 및 복합 열화에 대한 억제 및 회복 성능을 평가하였다.
제안 방법
및 회복 성능 평가를 위하여. Table 3과 같은 배합 조건의 공시체를 대상으로 염해, 탄산화, 동결융해 및 복합 열화에 대한 억제 및 회복 성능을 평가하였다.
w/c 40% 공시체를 대상으로 X■선 회절 분석 (X-ray diflraction test)과 SEM (scanning electron micrograph) 결과를 분석하였다.
또한 손상을 받은 후에 표면 침투 보강제에 의한 구체 손상 회복 성능 평가를 위하여 상기의 28일간 기건양생된 공시체를 대상으로 -18~+4.5℃의 온도조건으로 150 cycle까지 동결융해 시험을 실시한 후 표면 침투 보강제를 도포하고 7일 및 28일 후의 압축강도, 투수계수 및 공극률의 변화를 측정하였다.
본 논문의 표면 침투 보강제는 콘크리트 구체 강화 및 침투 성능을 나타내는 에톡시기를 함유한 실리케이트계열 무기 재료인 TEOS와 열화 억제 성능을 나타내는 OH「관능기를 함유한 유기 재료를 용액 중축합시켜 기본 재료를 생성한 후 침투력 및 열화 억제 성능 향상을 위한 부가재료를 첨가하여 개발되었으며 사용 재료별 특성은 Table 1과 같다. 표면 침투 보강제는 콘크리트 내부로 용이하게 침투하기 위해 저점도를 유지하는 단분자 물질로 구성되어야 하나 콘크리트 강도를 증진시키기 위해서 침투 후 단단한 성질로 전환되 어야 하며 온도 변화에 따른 수축 .
10%, 온도 30±3 및 .상대습도 60±5% 조건의 촉진 탄산화 시험 장치에서 7, 28, 91일간 노출시킨 후 페놀프탈레인 용액에 의한 발색 깊이를 측정하는 방법으로 수행되었다.
알콕시기를 갖는 실리케이트와 고분자 유기물질로 구성된 본 논문의 표면 침투 보강제는 콘크리트 내에 존재하는 수산화칼슘 등의 염기로 인한 촉매화반응에 의해 탈알콜반응이 일어나고, 알콕시기를 함유했던 물질들은 전자적으로 불안해지면서 (+)와 (-) 형태로 전이한다. 이렇게 (+)와 (-)로 전이된 물질은 다른 물질들과 결합이 용이하며 Fig.
염해에 대한 억제 성능 평가는 0100x 100mm 공시체의 밑면에 표면 침투 보강제를 도포한 후 1방향으로의 염화물 침투를 유도하기 위해 옆면을 에폭시 코팅하고 NaCl 3.6% 수용액에 28일간 침적시킨 후 콘크리트 표면으로부터 깊이 0~15mm, 15~30mm에서 시료를. 채취하여 수용성 염화물 함유량을 측정하는 방법으로.
탄산화에 대한 억제 성능 평가는(2)100x100mm 공시체에 표면 침투 보강제를 도포한 후 1방향으로 이산화탄소 침투를 유도하기 위해 옆면을 에폭시 코팅하고 이산화탄소 농도 10%, 온도 30±3 및 .상대습도 60±5% 조건의 촉진 탄산화 시험 장치에서 7, 28, 91일간 노출시킨 후 페놀프탈레인 용액에 의한 발색 깊이를 측정하는 방법으로 수행되었다.
표면 침투 보강제에 의한 콘크리트의 구체 강화 효과 평가를 위하여 Table 3과 같은 배합 조건의 0100 x200 mm 공시체를 제작하였으며 상대습도 50%, 온도 20±3℃ 조건의 항온항습실에서 28일간 기건양생 후 표면 침투 보강제를 도포하고 도포 후 14일 후에 압축강도를 측정하였다.
표면 침투 보강제의 침투 깊이는 대상 콘크리트의 강도에 가장 큰 영향을 받으므로 Table 2와 같이 물-시멘트비 35%, 40%, 50%, 60%로 (zilOOxlOOmm 공시체를 제작하여 상대습도 50%, 온도 20±3℃ 조건의 항온항습실에서 120일간 기건양생 후 공시체 상면에 표면 침투 보강제를 도포하고 도포 후 14일 후에 침투 깊이를 측정하였다. 침투 깊이는 관련 품질규격인 한국산업규격 KS F4930 (콘크리트 표면 도포용 액상형 흡수 방지재)에 따라 Fig.
혼입하여 배합한 후 콘크리트 표면에서부터 깊이 2.5, 7.5, 12.5, 17.5, 22.5, 25.5mm에서 시료를 채취하여 표면 침투 보강제에 의해 고정화되는 염화물량을 측정하는 방법으로 수행되었다.
대상 데이터
며 열화 억제를 위한 성능 개선 물질로는 발수성능이 있는 ISi (isobutylorthosilicate)를 침투력 개선물질로는 점도 및 표면장력 조절을 위한 Al (alcohol)이 사용되었다.
이론/모형
동결융해 및 염해를 동시에 고려한 복합 열화 억제 성능평가는 100ml 당 염화칼슘 4g을 용해시킨 용액과 Fig. 6과 같은 시스템과 온도 조건을 적용하여 5, 10, 20, 30, 40, 50 cycle 후의 스케일 손실량을 측정하는 방법 (ASTM C 672, scaling resistance of concrete surface exposed to deicing chemicals salts)으로 수행되었다.
동결융해에 대한 억제 성능 평가는 100* 100x400mm 각주 공시체에 표면 침투 보강제를 도포한 후 -18℃~+4.5℃의 온도 조건에서 300 cycle을 기중 동결 수중 융해하며 매 30 cycle마다 상대동탄성계수를 측정하는 방법 (KS F 2456)으로 수행되었다.
침투 깊이는 관련 품질규격인 한국산업규격 KS F4930 (콘크리트 표면 도포용 액상형 흡수 방지재)에 따라 Fig. 5와 같이 공시체를 2등분으로 할렬하여 표면으로부터 발수 성능을 발휘하는 깊이를 측정하였다.
성능/효과
개발하였다. 2) 본 표면 침투 보강제는 콘크리트의 모세관공극보다 작은 나노 크기의 분자로 구성되어 외부하중이 아닌 표면 도포만으로도 모세관 흡입력에 의해 침투가 가능하며, w/c 35~60%의 공시체에 대한 평가 결과 2Z/m2 도포만으로도 30 mm 이상의 침투 성능을 나타내어 기존의 무기계 침투제가 갖고 있는 단점인 초기 급격한 반응에 의한 침투 깊이의 제한성을 개선하였다,
3) XRD 및 SEM에 의한 미세 구조 특성 분석 결과 표면 침 투보 강제가 콘크리트 내부로 침투 후 수화물과 반응하여 C-S-H gel을 형성함으로써 콘크리트와 견고하고 안정적인 화학적 결합을 이룸을 확인하였다.
4) 구체 강화 효과 측면에서는 무손상 콘크리트의 경우 표면 침투 보강제를 적용하였을 때 11.4%의 압축강도 증가 효과를, 동결융해에 의해 손상을 받은 콘크리트의 경우 압축강도는 1.46배 증가, 투수계수 및 공극률은 1.83배 감소하는 결과를 나타내었다.
5) 열화 억제 및 회복 성능 측면에서는 염해의 경우 무도포 대비 97%의 억제 성능을, 회복 성능의 경우 70~72%의 염화물을 고정화시키는 결과를 나타내었다. 또한 탄산화의 경우 무도포 대비 96%의 억제 성능을, 동결융해의 경우 300 cycle에서도 90% 수준의 상대동 탄성계수를 유지하였다.
또한 탄산화의 경우 무도포 대비 96%의 억제 성능을, 동결융해의 경우 300 cycle에서도 90% 수준의 상대동 탄성계수를 유지하였다. 동결융해 및 염해를 동시에 고려한 복합열화 억제 성능에서는 스케일 손실량이 무도포 대비 26%의 성능을 나타내었다.
동결융해에 대한 억제 성능 평가 결과 Fig. 15와 같이 표면 침투 보강제를 도포한 경우에는 300 cycle에서도 상대동 탄성계수가 90% 수준으로 양호한 상태를 나타내고 있으나, 도포하지 않은 경우에는 150 cycle에서 상대동탄성계수가 60% 이하로 되어 내구성 측면의 기능을 상실하는 결과를 나타내었다. 이러한 결과는 표면 침투 보강제에 의한 콘크리트 조직의 치밀화가 동결 가능한 내부 수분을 감소시킴과 동시에 방수층이 형성되어 외부 수분의 침투를 억제시킨 결과이다.
또한 손상을 받은 후에 표면 침투 보강제에 의한 구체 손상 회복 성능 평가를 위하여 압축강도, 투수계수 및 공극률의 변화를 측정한 결과 압축강도는 Fig. 10과 같이 도포 28일 후 도포하지 않은 경우보다 1.46배 증가하는 것으로 나타났으며 이는 동결융해 작용에 의해 내부 조직이 파괴되어 강도가 저하된 콘크리트에 표면 침투 보강제를 적용할 경우 일정 수준 이상의 성능이 회복됨을 의미하는 것으로 표면 침투 보강제의 졸-겔 프로세스에 의한 구체 강화 효과가 균열 및 공극 등의 손상 부위를 충진 시킴으로써 제 기능을 회복시킨 결과이다. 콘크리트 내부 조직의 치밀성을 나타내는 투수계수 및 공극률의 경우도 Fig.
97%이다. 염해에 대한 회복 성능 평가 결과는 Fig. 13과 같이 표면침투 보강제에 의한 염화물 고정화 효과는 70~72%로서 이는 표면 침투 보강제의 졸-겔 프로세스에 의한 화학적 결합 과정에서 염화물이 고정되는 것으로서 기본적인 염해 방지 성능은 물론 염화물이 침투한 상태에서도 침투된 염화물 이온을 비활성화 시킴으로써 염해에 의한 철근부식을 억제할 수 있는 성능을 갖고 있는 것으로 판단된다.
이 무도포 콘크리트는 26.4 MPa, 도포 콘크리트는 29.4 MPa 로서 11.4% (3 MPa)의 구체 강화 효과를 나타내 었으며 , 이러한 결과는 미세 구조 사진에서 볼 수 있듯이 표면 침투 보강제가 콘크리트 내부에 침투하여 모세관공극 등을 충진시킴으로써 내부 조직이 치밀해져 압축강도가 증진된 것으로 판단된다.
탄산화에 대한 억제 성능 평가 결과 Fig. 14와 같이 표면침투 보강제를 도포한 경우 탄산화 진행 속도가 감소하는 것으로 나타났으며, 탄산화 억제 성능은 무도포 대비 96%이다.
16과 같이 표면 침투 보강제를 도포하지 않은 경우에는 cycle 수가 증가함에 따라 동결융해와 염해의 복합 작용에 의해 도포한 경우보다 스케일 손실량이 증가하는 경향을 나타내고 있다. 특히 50 cycle 시점에서 도포한 경우의 손실량은 무도포 대비 26%, ASTM C672 (scaling resistance of concrete surface exposed to deicing chemicals salts)의 표면박리등급은 도포하지 않은 경우는 굵은골재가 노출된 3등급, 도포한 경우는 표면 박리가 거의 없는 0등급으로 나타났다.
결국 본 논문의 표면 침투 보강제는 콘크리트 내부에서 수산화칼슘을 촉매로 물리 . 화학적으로 안정된 유무기 복합체를 형성함으로 기존 유기 및 무기 재료가 갖고 있던 단점을 상호 보완하여 무기물질은 구체 강화에 의한 강도 및 내구성능을, 유기물질은 방수 및 충격 흡수와 열화 억제 성능을 향상시킬 수 있다. 또한 기존 무기계 침투제의 수산화칼슘과의 급격한 반응에 의한 침투 성능의 제한성을 유기재료 부분에서 보완함으로써 높은 침투 성능을 기대할 수 있다.
표면 침투 보강제 도포 전.후의 콘크리트의 화학적 변화를 확인하기 위한 X-선 회절 분석 결과 Fig. 8에 점선으로 표시된 부분과 같이 표면 침투 보강제를 도포한 콘크리트는 보강제와 콘크리트의 결합 생성물인 Torbermorite (5CaO . 6SiO2 . 5H2O : C-S-H gel) 및 Orthoclase (K-OAhO/SiO, 가 도포 전보다 많은 양이 있는 것으로 관찰되어 표면 침투 보강제가 침투 후 내부 콘크리트와 견고하고 안정적인 화학적 결합을 형성함을 확인할 수 있다.
후속연구
결론적으로 본 논문의 표면 침투 보강제는 기존 유기 및 무기 재료로 구성된 방수기능 위주의 표면 보호제의 단점을 개선하고 높은 침투 성능을 바탕으로 열화 보호기능 이외에 열화 손상 회복기능을 겸비한 재료로서 신규 콘크리트 구조물의 열화 방지는 물론 사용 중 구조물의 내구성능 향상에도 적용이 가능할 것으로 판단된다.
화학적으로 안정된 유무기 복합체를 형성함으로 기존 유기 및 무기 재료가 갖고 있던 단점을 상호 보완하여 무기물질은 구체 강화에 의한 강도 및 내구성능을, 유기물질은 방수 및 충격 흡수와 열화 억제 성능을 향상시킬 수 있다. 또한 기존 무기계 침투제의 수산화칼슘과의 급격한 반응에 의한 침투 성능의 제한성을 유기재료 부분에서 보완함으로써 높은 침투 성능을 기대할 수 있다.
참고문헌 (9)
A. M. Neville, Properties of Concrete, Pitman Publishing Inc., Third Edition, New York, 1981, pp.277-284
ACI Committee 515, A Guide to the Use of Waterproofing, Dampproofing, Protective, and Decorative Barrier System for Concrete, ACI 515.1R-79, American Concrete Institute, USA, 1985, pp.2-3
D. Chaumont, et al., 'The Structural Properties of Soda-Silicate Sols and of the Lime-Soda-Silicate Gel Formation', Journal of Non-Crystalline Solids, Vol.247, 1999, pp.254-261
Buenfeld, N. R. and Zhang, J. Z., 'Chloride Diffusion Through Surface-Treated Mortars Specimens', Cement and Concrete Research, Vol.28, No.5, 1998, pp.665-674
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